通常認為，氮是鋼中有害的雜質(zhì)元素，能使鋼產(chǎn)生時效脆化。但是在含釩鋼中，氮的性質(zhì)發(fā)生了明顯的變化。當適當增加含釩鋼中的氮含量時，不僅可以顯著提高含釩鋼的強度，還可以明顯細化含釩鋼的鐵素體晶粒，改善了含釩鋼的綜合性能。
氮能促進晶內(nèi)鐵素體（IGF）的生成，顯著細化鐵素體晶粒。龔維冪等人對比研究了V-N鋼和V鋼對晶內(nèi)鐵素體形核和細化鐵素體晶粒的影響，如圖1所示。由金相照片可以看出，N對晶內(nèi)鐵素體的形成有顯著影響。在V鋼中添加0.014%N，使晶界鐵素體和晶內(nèi)鐵素體數(shù)量大大增加，當?shù)葴貢r間為2s（見圖1的1a和圖1的2a）時，V-N鋼中生成了大量晶界鐵素體和部分晶內(nèi)鐵素體，而V鋼中只生成了很少量的晶界鐵素體；隨著等溫時間的增加，當?shù)葴貢r間為4s（見圖1的1b和圖1的2b）時，V-N鋼中生成的晶內(nèi)鐵素體數(shù)量進一步增加，而V鋼中只有晶界鐵素體略有增加并且長大，沿晶界連接起來形成環(huán)狀；當?shù)葴貢r間為20s（見圖1的1c和圖1的2c）時，V-N鋼中生成了大量細小的晶內(nèi)鐵素體，而V鋼中生成的鐵素體不但數(shù)量很少，而且尺寸粗大。由此可見，N對促進晶內(nèi)鐵素體的生成，細化鐵素體晶粒具有非常重要的作用。
圖1 V-N鋼和V鋼在1200℃×600s加熱→1050℃形變50%→870℃形變5%→650℃
等溫時晶內(nèi)鐵素體生成數(shù)量的比較
1-V-N鋼（0.10%V-0.014%N）；2-V鋼（0.10%V-0.0036%N）；
a，b，c-分別表示等溫2s、4s和20s
為深入了解N促進晶內(nèi)鐵素體生成的作用，分別測定了650℃不同時間（0～20s）等溫后V-N鋼和V鋼的鐵素體形核總量和晶內(nèi)鐵素體的形核數(shù)量，其結(jié)果示于圖2。在含0.10%V的鋼中，添加0.014%N顯著提高了晶內(nèi)鐵素體的形核數(shù)量，V-N鋼晶內(nèi)鐵素體的形核數(shù)量約是V鋼的6倍，大大細化了鋼的鐵素體晶粒，因此，釩鋼通過添加適量的氮對促進晶內(nèi)鐵素體的生成，細化鋼的鐵素體晶粒是非常有效的。
圖2 氮對晶內(nèi)鐵素體形核數(shù)量的影響
眾所周知，相變是鋼鐵材料組織細化的重要方法之一。為描述這種V-N微合金鋼的鐵素體晶粒細化現(xiàn)象，許多研究者都采用奧氏體晶粒尺寸Dγ與鐵素體晶粒尺寸Dα的比率來描述，即Dγ/Dα。在V-N微合金鋼的情況下，通過再結(jié)晶控制軋制或熱處理，使VN在奧氏體區(qū)析出。這種相變前析出的VN，將成為相變后鐵素體形核的核心。在奧氏體區(qū)析出的VN越多，則鐵素體的形核密度就越大，相變后鐵素體晶粒尺寸就越細小，如圖3和圖4所示。
圖3表明，在相同奧氏體晶粒尺寸下，V-N鋼的相變比率比C-Mn高得多，可見釩和氮提高了相變細化比率，對鐵素體晶粒的細化有明顯影響。同時，奧氏體晶粒尺寸對相變比率Dγ/Dα也有較大影響，奧氏體晶粒越細則相變比率就越大。
圖3 氮和釩對細化鐵素體晶粒的影響
圖4氮對V-Ti-N鋼鐵素體晶粒細化的影響表明，在V-N-Ti鋼中，隨著氮含量的增加，在各種不同的冷卻速度下，相變細化比率都有明顯的提高，這是由于增氮促進了碳氮化釩在奧氏體-鐵素體晶界上的析出，有效阻止了鐵素體晶粒的長大，同時，增加了相變后鐵素體的形核位置，起到細化鐵素體晶粒尺寸的作用?？梢钥闯?，為提高V-N微合金鋼的相變比率，需要較高的氮含量。研究結(jié)果表明，較高的氮含量可以促進VN在奧氏體區(qū)析出。VN析出量越多，奧氏體晶粒就越細。因此，較高氮含量的V-N微合金鋼的晶粒細化，是由VN在奧氏體區(qū)析出，使奧氏體晶粒細化和相變時Dγ/Dα相變比增大引起的。
圖4 氮對V-Ti-N鋼鐵素體晶粒細化的影響
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